Введение к работе
Актуальность работы. На современном этапе формирования природно- техногенных систем большое внимание уделяется изучению современной геодинамической обстановки на основе комплексного анализа особенностей строения геолого-геофизического пространства. Такая информация представляет значительный интерес при обосновании выбора площадок под строительство особо ответственных сооружений (АЭС, подземные захоронения радиоактивных отходов, линейные сооружения типа трубопроводного транспорта нефти и газа и т.д.), а также в процессе геодинамического обеспечения долговременной и безопасной их эксплуатации. По-прежнему, актуальными остаются классические проблемы, связанные с выполнением геологического картирования, тектонического районирования и поисков полезных ископаемых.
При анализе геодинамической обстановки применение компьютерных методов дешифрирования изображений, геофизических псевдоизображений, цифровых моделей рельефа и данных лидарных съёмок стимулируется массовым внедрением геоинформационных систем для обработки пространственно привязанных данных всех типов и требует непрерывного совершенствования понятийного математического и методического сопровождения таких работ. В полной мере это относится к автоматизированному линеаментному анализу.
В настоящее время существует много методик автоматизированного линеаментного анализа и несколько коммерческих программных продуктов, в том числе, в составе геоинформационных систем. Эти программы часто используют различающиеся алгоритмы обработки изображения и разнятся степенью интерактивности. В этой связи совершенно необходимым представляется параметризация процессов дешифрирования, позволяющая интерпретировать результаты, полученные при обработке изображений, в стандартных терминах строения реальной геолого-геофизической среды.
Особенно важен автоматизированный линеаментный анализ в ситуациях, когда нужна как оперативность, так и повторяемость результатов. Этот метод также незаменим для анализа структурно-геологических условий труднодоступных и недостаточно изученных районов.
В данной работе рассматривается компьютерный анализ ориентационных свойств текстуры растровых изображений и методы интерпретации полученных результатов на примерах задач, связанных с изучением раздробленности земной коры и массивов горных пород.
Целью настоящей работы является развитие и апробирование методов применения автоматизированного линеаментного анализа и подбора параметров обработки цифровых изображений для решения практических и научных задач описания современной геодинамической обстановки. Основные задачи исследования.
-
Развитие и совершенствование методов интерпретации данных автоматизированного линеаментного анализа, оптимизация параметров интерактивного режима для анализа геодинамической обстановки.
-
Установление закономерностей поверхностных проявлений гетерогенности кристаллического фундамента и осадочного чехла в рельефе и современном ландшафте методами компьютерного дешифрирования.
-
Разработка методических основ практического применения автоматизированного линеаментного анализа для выделения участков концентрации тектонических напряжений, сейсмического и геодинамического районирования.
-
Исследование современной геодинамической активности территорий и оценка возможных геоэкологических последствий техногенного влияния на геолого- геофизическую среду.
Научная новизна:
-
существенно доработаны методы интерпретации результатов автоматизированного дешифрирования космических снимков;
-
впервые выполнено детальное сопоставление результатов компьютерного анализа линеаментов, линеаментных форм и статистических полей малых линеаментов цифровых изображений исследуемых районов с особенностями строения геолого-геофизической среды, в том числе напряжённым состоянием массива;
-
впервые показано, что рисунок протяженных линеаментов, а также аномалии в статистических полях малых линеаментов (секторная плотность линеаментов, градиенты форм роз-диаграмм, линии вытянутости роз-диаграмм), выделяемых программным пакетом LESSA (Lineament Extraction and Stripe Statistical Analysis) характеризуют тектоническую раздробленность земной коры;
-
впервые для исследуемых районов методами компьютерного дешифрирования выполнена детализация границ геологических структур, определены области активизации разрывных нарушений, а также их кинематика в региональных и локальных полях напряжений;
-
впервые на основе анализа изменчивости роз-диаграмм линеаментов выделены кольцевые структуры различного генезиса;
-
впервые с помощью метода автоматизированного дешифрирования выполнен анализ техногенной нарушенности среды после проведения подземных ядерных взрывов (ПЯВ) на Семипалатинском полигоне.
Практическая значимость. Предложенный подход позволяет эффективно дистанционно исследовать геолого-геофизическую среду, сокращая дорогостоящие и трудоемкие виды наземных исследований. Применение метода дает возможность не только выделять зоны тектонических нарушений, но и детализировать внутреннее строение и кинематику разрывов. Результаты, полученные автором, были использованы в научно-производственных отчетах по обоснованию выбора площадок под строительство (Нижегородская АЭС) и мониторингу геодинамической обстановки районов эксплуатации особо ответственных объектов (Ленинградская АЭС, опреснитель воды в районе Актау).
Использование метода в сейсмоактивных регионах позволяет определить зоны изменения состояния среды и концентрации напряжений, связанных с подготовкой сейсмического события - землетрясения.
Результаты автоматизированного дешифрирования космоснимков ряда участков Семипалатинского полигона использованы для экспертной оценки геоэкологических последствий проведения ПЯВ. В частности, были выделены преимущественные пути транзита радиоактивно загрязненных подземных вод, сопряженные с разрывными нарушениями, оконтурены области поствзрывных деформаций дневной поверхности. Методика выполненных исследований одобрена Международной Организацией Договора о всеобъемлющем запрещении испытаний ядерного оружия и получила поддержку (г. Вена, Австрия, 2005 г.).
Связь данной работы с другими научно-исследовательскими работами. Работа выполнена в рамках программы научно-исследовательских работ института, программ 5, 7, 8 ОНЗ РАН, грантов РФФИ (00-05-64281-а, 07-05- 00454-а, 08-05-00359-а, 08-05-90013-Бел_а, 10-05-00917-а, 11-05-00871-а), проекта МНТЦ К-810 и CRDF RUG2-1714.
Фактический материал и методы исследования. В работе приведены данные обработки космоснимков Landsat (разрешающая способность 28 м), КФА 1000 (8 м), IRS 19 (5 м), Avnir 2 (3-4 м), покрывающих регионы России и Казахстана. Для интерпретации результатов дешифрирования были также использованы результаты кондиционных геологических съемок различных масштабов, аэромагнитной съемки, кадастры буровых скважин, наземные геофизические наблюдения. Исследования выполнены методом автоматизированного линеаментного анализа цифровых космических снимков с применением программного пакета LESSA для выделения и получения статистик угловых (ориентационных) характеристик линеаментов разного размера при интерактивной параметризации программ обработки.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в разработке методики применения автоматизированного линеаментного анализа (в частности, параметризации алгоритмов программного пакета LESSA ), в их апробации для разных тектонических районов и выполнил все работы, связанные с анализом линеаментов, линеаментных форм и сопоставлением полученных результатов с данными геолого-геофизических исследований.
Автором в данной работе обобщены и систематизированы материалы более чем 25-летней практики применения различных модификаций автоматизированного линеаментного анализа растровых изображений при исследовании и описании геодинамической обстановки. На примерах ряда регионов и для снимков различной разрешающей способности и обзорности выявлены устойчивые, наиболее надежно интерпретируемые характеристики изображения с оптимизацией параметров их получения.
Защищаемые положения:
-
-
Интерактивная параметризация получения и отбора устойчивых статистических характеристик пространственного распределения малых линеаментов одновременно с интерактивным выделением протяженных линеаментов по алгоритму Хафа позволяют исследовать геодинамическую обстановку в разных тектонических и ландшафтных условиях.
-
Слоисто-блоковое строение земной коры отражается как в структурном рисунке протяженных линеаментов, так и в статистических характеристиках пространственного и ориентационного распределения малых линеаментов и проявляется при автоматизированном дешифрировании космических изображений разной обзорности и разрешающей способности.
-
Линеаменты и линеаментные формы, установленные компьютерным дешифрированием, характеризуют особенности строения разломных зон, их кинематику и некоторые тектонофизические характеристики.
-
Участки проведения мощных подземных взрывов на снимках высокого разрешения выделяются концентрическими аномалиями распределения малых линеаментов. Дополнительно прослеживаются линеаменты, трассирующие разрывные нарушения, определяющие границы развития поствзрывных деформаций поверхности и ответственные за возможное распространение радиоактивно загрязненных подземных вод.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на Международных и Российских конференциях: в Воронеже (2001 г., 2010 г.), Петрозаводске (2002 г., 2008 г.), Архангельске (2004 г., 2009г.), Сыктывкаре (2005г.), Москве (2005 г., 2011 г.), Казани (2007 г.), Боровом (Казахстан, 2004 г.), Курчатове (Казахстан, 2005 г.), Львове (Украина, 2011 г.), на научных семинарах
Ливерморской и Хэмфордской лабораторий (США, 2004 г.), в университете Беркли (США, 2004 г.). Также работа представлялась в Международной Организации Договора о всеобъемлющем запрещении испытаний ядерного оружия в Вене (Австрия, 2005 г.), на 32-й генеральной ассамблее Европейской сейсмологической комиссии в Монпелье (Франция, 2010 г.), на генеральной ассамблее «Международное объединение геодезии и геофизики» в Мельбурне (Австралия, 2011 г.).
Основные результаты диссертационной работы отражены в 48 публикациях.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.ф.-м.н. А.А. Спиваку за постоянное внимание и помощь при выполнении работы; академику РАН В.В. Адушкину, д.ф.-м.н. И.А. Саниной, д.ф.-м.н. Г.Г. Кочаряну, д.г.-м.н. Ю.К. Щукину - за ценные замечания и рекомендации, сотрудникам Лаборатории "региональной геодинамики" к.ф.-м.н. С.Б. Кишкиной, Л.Д. Годуновой. Отдельно хочется поблагодарить к.ф.-м.н. Э.М. Горбунову за многолетнее сотрудничество и неоценимую помощь в работе, к.т.н А.А. Златопольского - разработчика программного пакета LESSA за предоставление различных версий пакета LESSA на апробацию, консультации и дискуссии по любым вопросам использования этой технологии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (110 наименований). Объем работы: 130 страниц машинописного текста, в том числе 40 рисунков.
Похожие диссертации на Интерпретация результатов автоматизированного дешифрирования данных дистанционного зондирования при оценке современной геодинамической обстановки
-
